• Author / Uploaded
• mchris91

Citation preview

  Overhead Line Design Exercise    Learning Objectives:  

Designing an Overhead Transmission Line 



Appreciate the importance of relative International Standard 



Effective use of standard softwares in Engineering Analysis and Modelling 

                                      1   

Overhead Line Design Exercise:   A new double circuit 400kV twin bundled conductor transmission system tower is required. The span  length of this line is set to 300m. You are asked to calculate the circuit rating at maximum operating  temperature  and  the  tower  dimensions  required  for  proper  operation  given  the  following  information:    Table I:    Conductor Details  Conductor type:  AAAC Rubus  Diameter:  31.5mm  Number of conductors in bundle  2  Weight:  1.686kg/m (16.53N/m)  Stringing tension at installation: 34.6kN at  Stringing tension at installation:  15 oC    Coefficient of linear expansion (εt):  23e‐6 C‐1    0.0678 Ω/km (at 70oC)  Equivalent ac resistance at max temperature:    Maximum  operating  temperature  (assume  70°C  elastic expansion):  Insulator String Details  Required creepage distance:  12.1 m  Available ratio of creepage to length:  3.5  Length of fittings:  0.4m  Other Information  Ground clearance:  8.1 m (always required)  Shielding angle:  20o  Wind speed at which clearances must be  10 m/s  maintained:  Maximum reduction in distance between  2.1 m  phase conductors due to vertical movement:  Minimum heat loss due to convection:  43.55 W/m              2   

Shield Wire

Insulator Length  

Top Cross Arm

Creepage  length to  prevent  tracking 

Level 1 

Insulator Length  with fittings  Middle Cross Arm  Conductor to  cross‐arm  clearance must be  sufficient to  prevent flashover 

Level 2 

Reduced Tower  clearance owing to  Swing Angle  conductor swing 

Bottom Cross Arm

Level 3  Conductor to conductor  clearance must prevent  flashover. Voltages  larger than phase to  earth 

Minimum clearance  to ground 

Conductor to tower  clearance prevent  flashover and safety  clearance  infringement  

 Bottom  Conductor  Minimum Sag 

  3   

Task 1: Calculation of Bottom Cross‐arm height:   Calculating the bottom cross arm height is a procedure that requires:  1. Calculation of sag  2. Calculation of insulator length  3. Knowledge of ground clearance regulation distance (according to Voltage Level)   4. Knowledge of the length of fittings:    A. Calculation of Sag  Conductor sag is the result of elastic elongation formed when the conductor is installed on the OHL  structure. The elastic elongation is reversible and related to conductor elasticity, weight and tension.  Using the expressions for sag and conductor length given below, in conjunction with the information  tabulated in table I calculate:  

Sag at 15oC sag at 70oC. 



Conductor length at 15oC and 70oC 

S Tc 

W  Rs 2  (1)  8T

l c  Rs 

W 2  Rs 3  (2)  24T 2

I.

STc – conductor sag at conductor temperature Tc 

II.

lc – conductor length within a span, m 

III.

W – Conductor weight N/m 

IV.

Rs – span length, m. 

V.

T – tensile force, N. 

          4   

B. Calculation of insulator length  For a suspension tower, it is significant that the length of the insulator and the swing angle define  how  close  it  will  come  to  the  tower  structure.  Reducing  the  insulator  lengths  to  the  minimum  possible  will  allow  cross‐arm  lengths  to  be  reduced  and  therefore  more  compact  overhead  line  geometries are likely to be produced. The creepage distance, is basically the path along the surface  of  an  insulator,  and  is  directly  proportional  to  the  AC  operating  voltage.  As  the  insulator,  is  lengthened, the voltage it can withstand increases.   According  to  IEC  60664:1980  "Insulation  Co‐ordination  within  Low‐Voltage  Systems  Including  Clearances  and  Creepage  Distances  for  Equipment,",  creepage  is  the  shortest  path  between  two  conductive  parts  (or  between  a  conductive  part  and  the  bounding  surface  of  the  equipment)  measured  along  the  surface  of  the  insulation.  A  proper  and  adequate  creepage  distance  protects  against tracking, a process that produces a partially conducting path of localized deterioration on the  surface  of  an  insulating  material  as  a  result  of  the  electric  discharges  on  or  close  to  an  insulation  surface.  The  degree  of  tracking  required  depends  on  two  major  factors:  the  comparative  tracking  index  (CTI)  of  the  material  and  the  degree  of  pollution  in  the  environment.  Used  for  electrical  insulating  materials,  the  CTI  provides  a  numerical  value  of  the  voltage  that  will  cause  failure  by  tracking during standard testing. IEC 112 provides a fuller explanation of tracking and CTI. Tracking  that  damages  the  insulating  material  normally  occurs  because  of  one  or  more  of  the  following  reasons:  

Humidity in the atmosphere. 



Presence of contamination. 



Corrosive chemicals. 



Altitude at which equipment is to be operated. 

  The shortest distance from end to end over and along the insulator  surface is called the leakage path or creepage distance.  Therefore  the insulator length is calculated (by the use of Table I) as:  Length  of  insulator  (li)  =  Required  Creepage  distance  /  Available  ratio of creepage to length     

  5   

Therefore the Bottom Cross‐arm height can be calculated as follows:  Bottom Cross‐arm height = Sag at maximum operating temperature + Length of Insulator + Length  of fitting + Ground Clearance Regulation   

                                            6   

Task 2: Calculation of Middle and Upper Cross‐arm Height  The  height  of  the  overhead  line  structure  is  not  normally  defined  by  the  AC  operating  voltage  but  will  be  based  on  lightning  impulse  (LI)  voltage  for  lower  voltage  overhead  lines  and  the  switching  impulse (SI) voltage for the transmission voltage systems. These voltages, much greater than the AC  system voltage, require a large gap to prevent flashover.  Lightning  impulse  voltages  are  used  to  simulate  a  surge  caused  by  a  lightning  strike.  The  usual  source  of  a  lightning  overvoltage  is  a  lightning  strike  to  an  overhead  line.  This  results  in  the  production  of  a  fast‐fronted  voltage  and  travelling  waves  that  propagate  along  the  overhead  line.  Measurements  and  experience  have  shown  that  lightning  overvoltages  can  be  simulated  in  the  laboratory using a short duration impulse of either polarity reaching its peak voltage in 1 to 2s and  falling to 50% of its peak value in 50s.    Switching  impulse  voltages  are  used  to  simulate  a  surge  caused  by  a  switching  operation  (e.g.  connection / disconnection of an overhead line by a circuit breaker). Switching overvoltages become  important when it is necessary to test equipment rated at approximately 300kV and above. Below  this level, the lightning overvoltage is more significant. The waveform normally used to represent a  switching surge has a 250s rise‐time and a 2000s fall‐time. It is known that the rise and fall times  of switching overvoltages do vary widely around these figures but the values are chosen to match up  with the waveshape giving the lowest flashover distance in air. Impulse tests, whether lightning or  switching, generally involve the application of voltages in the region of 10 times the working voltage  at the lower voltage levels. This reduces to voltages in the region of 3 times the working voltage at  the higher voltage levels.    Alternating voltages are used to assess the ability of insulation to withstand the continuous power  system voltage and temporary overvoltages that are produced during power system fault conditions.  Tests include the application of a voltage 2 to 3 times the working voltage for a short period in the  region of one minute (the withstand or overvoltage test) and the application of a voltage to measure  partial discharge activity and/or the radio interference level. Indoor equipment is only tested in a dry  condition  but  the  external  insulation  of  outdoor  equipment  is  usually  wet‐tested  by  applying  standardised rain to a test object.                  7   

The voltage for 50% probability of flashover against a gap distance of a rod‐plane gap is determined  by the formulas tabulated in table II.  Table II: 

U 50 

Strength of a gap for an AC voltage (peak): 

3740 (kV )   8 1 d

U 50  (380k  150k )d (kV )  

Strength of a gap for a lightning impulse voltage: 

U 50 

Strength of a gap for a switching impulse  voltage: 

3400k (kV )   8 1 d



Create a simple computational algorithm in MATLAB to plot the voltage for 50% probability  of  flashover  against  a  range  of  gap  distances  of  a  rod‐plane  gap,  for  an  AC  voltage,  a  lightning impulse voltage and a switching impulse voltage, using the formulas of table II. 



Calculate  the  distance  between  the  phase  conductors  as  determined  by  the  switching  impulse  voltage  by  using  the  formula  given  below.  The  U50  for  a  switching  impulse  can  be  calculated by the use of table 2, where d is the length of the insulator.    d pp 

8  1.5  U 50   3400  1.5  U 50      



Calculate the middle cross‐arm height (h2) and the upper cross‐arm height (h3) by the use of  formulas  below.  Assume  that  drr  is  the  maximum  reduction  in  distance  between  phase  conductors, as given by table I. 

Middle Cross‐arm height: 

h2  h1  d pp  d rr     

Upper Cross‐arm height: 

h3  h2  d pp  d rr         8   

Task 3: Calculation of Cross‐arm Width  Phase to tower clearances (mainly applicable for lattice towers) usually depend on the swing angle  of the overhead line insulator‐conductor system. When the wind blows, a wind force is imposed on  the conductor. This force can move the entire conductor system towards the tower. The amount of  movement is determined by the ratio of the wind force imposed on the conductor to the weight of  the conductor system as shown by the figure below and the accompanying equation. The weight and  wind load of the insulator are divided by two to refer them to the extremity of the insulator length. 

  Figure 1. Swing Angle Calculation  For a suspension tower, it is significant that the length of the insulator and the swing angle define  how close it will come to the tower structure. Reducing insulator lengths to the minimum possible  will  allow  cross‐arm  lengths  to  be  reduced  and  more  compact  overhead  line  geometries  to  be  produced.  By neglecting the weight and wind load of insulators the swing angle Φ can be calculated as: 

 F  Fi / 2    tan 1  C       W n Wi / 2  C 

 F    tan 1  C    WC  n 

 

 

Fc is the force exerted on a conductor owing by the wind and can be calculated as: 

Fwind 

 2

 v 2  d  l70  n  

Where:  

ρ = air density ‐1.22 kg/m3 



v = wind velocity at which clearances must be maintained. 



d =diameter of conductor 



l70 = conductor length at 70 oC 



n = number of conductors in bundle  9 

 

Wc is the weight of the conductor system (twin bundle arrangement) and can be calculated as: 

Wc  Weight ( N / m)  ConductorL ength (l70 )  n   The phase to earth clearance dpe can be calculated with the use of formula given below.U50 is the  strength of a gap for a switching impulse voltage. 

d pe 

8  U 50   3400  U 50

Consequently the maximum reduction in distance between phase conductor and tower is given as: 

d r  li  sin    where  d r is defined as the maximum reduction distance;  li is the insulator length; Φ is the swing  angle.  Therefore the cross‐arm width (dw) can be calculated as: 

d w  d pe  d r     Task 4: Calculation of shield wire height  According  to  IEEE  Std  1410‐1997,  shield  wires  are  grounded  conductors  placed  above  the  phase  conductors to intercept lightning strokes which would otherwise directly strike the phases. Lightning  current  is  diverted  to  ground  through  a  pole  ground  lead.  To  be  effective,  the  shield  wire  is  grounded at every pole. Lightning‐surge current flowing through the pole ground impedance causes  a  potential  rise,  resulting  in  a  large  voltage  difference  between  the  ground  lead  and  the  phase  conductors. The voltage difference may cause a back flashover across the insulation from the ground  lead to one of the phase conductors.  The shielding angle is defined in IEEE Std 1410‐1997 as the angle between the vertical line through  the  overhead  ground  wire  and  a  line  connecting  the  overhead  ground  wire  with  the  shielded  conductor. To ensure that all lightning strokes terminate on the shield wire rather than on the phase  conductors, a shielding angle (as shown by Figure below) of 45° or less is recommended. This is only  valid  for  lines  less  than  15  m  tall  with  conductor  spacings  under  2  m.  Taller  lines  require  smaller  shielding angles. Refer to IEEE Std 1243‐1997 [B27] 

10   

Figure 2. Definition of shielding angle as defined in IEEE 1410‐1997  For this particular transmission lattice tower the shielding angle is 20 degree (defined in table I), so  the shield wire height can be calculated as: 

 (d pe  d r )  h4  h3    l i  0 .4    o  tan(20 ) 

          Task 5: Calculation of Circuit Rating  The power rating of an overhead line (OHL) is defined by the voltage level of the line and the current  rating and is usually expressed in MVA. The voltage level affects the size of the tower of the OHL in  order  to  satisfy  the  minimum  ground  clearances  is  defined  at  the  initial  stages  of  the  OHL  design.  The  ampacity  is  the  maximum  continuous  current  that  corresponds  to  the  maximum  allowable  conductor temperature set by the system operators and is called thermal rating of the line.  The  conductor  temperature  is  affected  by  the  heat  produced  from  the  current  flowing  through  it,  the  thermal  properties  of  the  conductors  and  the  surrounding  ambient  conditions.  It  is  raised  primarily due to Ohmic losses (I2R) and secondarily due to solar heating. There are also two cooling  mechanisms  that  take  place:  convection  and  conductor  radiation.  Convection  is  a  major  source  of  heat loss and is a function of air temperature and wind speed. The conductor radiation is affected by  the  air  temperature  and  conductor  material  and  size.  The  method  to  calculate  the  thermal  rating  considers that the conductor is in thermal equilibrium at the maximum operating temperature.   11   

Consequently, the heat gain of a bare overhead conductor from I2R losses and solar heat balances  the heat lost by convection and conductor radiation cooling as shown below:  The heat gain equals heat lost:  qc  qr  qs  I R   2



qc = convection heat loss W/m 



qr =radiated heat loss W/m 



qs = solar heat gain W/m 



I = conductor current, amperes 



RTC = AC conductor resistance at operating temperature, Tc, Ω/m 

The solar heat and the radiated heat loss can be neglected in this case. The minimum heat loss due  to convection is 43.55 W/m, as tabulated in table I.  Therefore the current can be calculated as per the equation below: 

I

qc   RTC

    Due to the twin bundled conductor, the total current rating will be:  2  I .         

12